Inimesed on alati unistanud kosmoses reisimisest, olles lummatud tundmatutest maailmadest ja soovist avastada kaugeid galaktikaid. Suurim takistus kosmosereisile on tohutud vahemaad. Selles artiklis käsitleme kosmoses olevaid hiiglaslikke vahemaid ja aega, mis on vajalik kaugete tähtede ja objektide saavutamiseks erinevate kiirusel liikuvate kosmoselaevadega. Illustreerimaks, kui ulatuslik on kosmos, arvutasime, kui kaua kuluks mõne taevakehani jõudmiseks, kasutades autot ja inimkonna ehitatud kiireimat kosmoselaeva. Samuti arvutasime, kui kaugele me saaksime reisida valguse kiirusel. Kuigi valguse kiirus ei ole piisav, et kaugele kosmosesse reisida, pöördusime ulme telesarja Star Trek poole, kus kosmoselaevad saavutavad kiirusel, mis on palju kiiremad kui valgus, kasutades väljamõeldud Warp-juhti.
Auto, mis sõidab pidevalt kiirusel 130 km/h (80 mph)
Kujutame ette, et me saaksime kosmoses reisida autoga. Paljudes riikides üle maailma on maanteedel lubatud maksimaalne kiirus 130 km/h või 80 mph, seega kasutasime oma arvutustes just seda kiirus. Auto võiks lõpuks jõuda Kuu peale, kulutades sinna jõudmiseks umbes 123 päeva. Marsile jõudmine võtaks kaua, 48 aastat, kui see on Maale kõige lähemal, ja kuni 352 aastat, kui see on kõige kaugemal. New Horizons kosmoseproov jõudis Plutole, kääbusplaneedile päikesesüsteemi äärel, 9,5 aastaga. Autoga võtaks see reis vähemalt 3,750 aastat. Proxima Centauri on lähim täht Maale, mis asub 4,24 valgusaasta kaugusel. Sellele tähte jõudmine autoga võtaks 35 miljonit aastat.
Pluuto värvikas kompositsioon. Autorid: NASA/Johns Hopkinsi Ülikooli Rakendusfüüsika Laboratoorium/Lõuna-Lääne Uuringute Instituut
Voyager 1 – Kiireim inimtekkeline kosmoselaev, mis reisib läbi kosmose
Voyager 1, mis lasti välja juba 1977. aastal, on kiireim inimkonna loodud kosmoselaev, mis reisib läbi kosmose kiirusel umbes 61,000 km/h (umbes 38,000 miili tunnis). Siiski ei ole Voyager 1 kiireim kunagi ehitatud kosmoselaev. Parker Solar Probe saavutab kiirusel 700,000 km/h (umbes 430,000 miili tunnis), kuid seda kiirus saavutatakse ainult siis, kui see möödub Päikesest kõige lähemalt, kasutades Päikese gravitatsiooni kiirusel kiirendamiseks. Teiselt poolt reisib Voyager 1 läbi kosmose ja on hetkel kõige kaugem inimtekkeline objekt.
Voyager 1 siseneb interstellarruumi kunstniku kontseptsioon. Autor: NASA/JPL-Caltech
Nii et, kui kiire on Voyager 1 ja kui kaua kuluks, et katta tohutuid kosmilisi vahemaid? Voyager 1 võiks jõuda Kuu juurde umbes 6 tunni jooksul oma praegusel kiirusel. Maalt Marsile jõudmine võtaks vastuvõetavad 37 päeva, kui Mars on Maale kõige lähemal, ja teekond kaugele Pluutole võtaks kaheksa aastat. Proxima Centauri, lähima tähe Maale, saavutamine võtaks hämmastavad 75 000 aastat. Nendest arvutustest järeldub, et meie praegused tehnoloogilised võimed on vaevu piisavad, et uurida päikesesüsteemi ja ainult ilma inimmeeskonnata. Võib-olla lähitulevikus saame saata meeskonna Marsile, Maale kõige lähemale planeedile. Praegu pole meie tehnoloogia piisavalt arenenud, et saata sondid lähimatele tähtedele.
Reisimine valguse kiirusel
Valguse kiirus vaakumis on umbes 299 792 km/s (umbes 186 282 miili/s), mis on ligikaudu 1,08 miljardit km/h (umbes 671 miljonit miili tunnis). Füüsika seaduste kohaselt, nagu on kirjeldatud Einsteini suhtelisuse teoorias, on see kõrgeim võimalik kiirus.
Tähtede Katel Galaktika Keskuses. Autor: NASA/JPL-Caltech
Suhtelisuse kohaselt on teoreetiliselt võimatu, et massiga objektid, nagu kosmoselaevad või inimesed, reisiksid valguse kiirusel. Kui objekti kiirus suureneb, kasvab selle mass efektiivselt, nõudes üha rohkem energiat edasise kiirendamiseks. Massiivse objekti kiirendamine valguse kiiruseni nõuaks lõpmatut energiat, muutes sellise reisi praeguse teadusliku arusaama kohaselt võimatuks.
Ignoreerime hetkeks füüsika seadusi ja eeldame, et reisimine valguse kiirusel on võimalik. Kui inimkonnal oleks kosmoselaev, mis suudab reisida valguse kiirusel, kui kaugele me siis kosmoses jõuaksime? Kas kogu universum oleks siis meie käeulatuses? Siin on see, mida me arvutasime.
Valguse kiirusel kuluks Kuu juurde jõudmiseks vaid 1,28 sekundit, Marsile jõudmiseks 3 minutit ja Pluutole jõudmiseks 4 tundi. Valguse kiirus oleks ideaalne kiireks reisimiseks päikesesüsteemis. Kuid kas valguse kiirus on piisav interstellariks reisimiseks? Proxima Centauri, lähim täht meile, asub 4,24 valgusaasta kaugusel. See tähendab, et valgus jõuab Proxima Centaurisse 4,24 aastaga ja tagasiteekond võtaks sama kaua. Sellised reisid võiksid olla võimalikud inimmeeskondadega, kuid sellise kosmoselaeva reisijad peaksid veetma märkimisväärse osa oma elust kosmoses.
Maalt umbes 15 valgusaasta raadiuses on ligikaudu 50 tähte. Kosmoselaev, mis suudab reisida valguse kiirusel, võimaldaks uurida seda osa kosmosest, kõige tõenäolisemalt juhtmevabade sondidega. Saame järeldada, et valguse kiirus on piisav lähimate tähtede juurde reisimiseks, kuid meie Linnutee või teiste galaktikate kaugematesse nurkadesse reisimine oleks ajaliselt võimatu, arvestades, kui kaua sellised reisid võtaksid.
Näiteks on lähim must auk, V616 Monocerotis, 3 300 valgusaasta kaugusel Maast, seega võtaks meil sama palju aastaid, et sinna valguskiirusel jõuda. Selgelt ei ole selline reis teostatav ega mõistlik.
Keskusse jõudmiseks meie galaktikas kuluks meil 26 000 aastat, ja reis Andromedasse, lähimasse spiraalgalaktikasse, võtaks hämmastavad 2,537 miljonit aastat.
Valgust kiirem reis
Maailmakuulsas ulmefrantsiisis Star Trek reisivad kosmoselaevad kiirusel, mis on palju kiirem kui valguse kiirus. Selle võimaldab fiktiivne warp-juhtimisseade. Warp-juhtimisseade Star Trekis võimaldab tähtlaevadel reisida kiiremini kui valgus, luues "mulli", mis moonutab ruumi-aega laeva ümber. Nii ei riku laev seadust, et reisida kiiremini kui valgus ruumis, vaid liigutab ruumi-aega enda ümber. Kuigi see juhtimisseade on fiktiivne, on teadlased välja töötanud teoreetilise mudeli sarnase idee põhjal.
Alcubierre Drive on teoreetiline kontseptsioon, mis pakub välja meetodi valgust kiiremaks reisiks ruumi-aja moonutamise kaudu. Vastavalt sellele ideele ei reisiks kosmoselaev tegelikult kiiremini kui valgus, vaid looks enda ümber "mulli", mis kokkutõmbab ruumi-aega laeva ees ja laiendab seda taga. Nii liiguks laev tõhusalt läbi ruumi-aja, jäädes samas mulli sees oleva ruumi suhtes paigale. Selleks, et see toimiks, eeldab teooria eksootilise aine olemasolu negatiivse energiaga, mida teadlased pole veel leidnud ega loonud. Rohkem teavet Alcubierre Drive'i kohta saad lugeda siit.
Star Trek ja Warp Drive
Kuigi teadlased ei ole veel lahendanud kõiki takistusi Alcubierre Drive'i ehitamisel, naeme tagasi Star Treki ja warp-kiirusel reisimise juurde. Star Trekis reisivad tähtlaevad warp-juhtimisseadmete abil. Tehnoloogia arenedes muutusid warp-kiirused kiiremaks. Warp 1 võrdub valguse kiirus, Warp 2 on kümme korda kiirem kui valguse kiirus, Warp 3 on 39 korda kiirem ja nii edasi. Valisime kolm kuulsat tähtlaeva Star Trekist, mille maksimaalne kiirus on teada. Kuigi sarja tähtlaevad ei saanud pidevalt reisida maksimaalsel warp-kiirusel, kasutame meie arvutuste jaoks maksimaalseid kiirus, millega nad suudavad liikuda.
Kapitani Jonathan Archeri tähtelaev Star Trek: Enterprise
See laev on tähistatud kui NX-01. See on esimene laev Enterprise seerias, mis on oluline kosmose uurimisel ja tulevase Föderatsiooni aluste panemisel. Selle maksimaalne kiirus on Warp 5, mis on 214 korda kiirem kui valguse kiirus. Selle Enterprise'iga jõuaks Pluutole Maalt vaid ühe ja poole minutiga. Proxima Centaurini, lähima täheni, jõudmine võtaks seitse päeva ja lähimasse musta auku, V616, jõudmine võtaks 15 aastat. Meie galaktika keskmesse jõudmine võtaks lausa 121 aastat ning Andromeedasse reisimine võtaks uskumatud 11,853,271 aastat.
See laev kataks maksimaalsel kiirusel umbes 17 valgusaastat 30 päeva jooksul. Maast 17 valgusaasta raadiuses on umbes 50–60 tähe süsteemi, kus on umbes 100 tähte.
Kapitani Jean-Luc Picardi tähtelaev Star Trek: The Next Generation
Kapitani Jean-Luc Picardi tähtelaev Star Trek: The Next Generation oli nimega USS Enterprise (NCC-1701-D). See oli viies laev, mis kandis nime Enterprise ja on üks tuntumaid laevu Star Trek frantsiisis. Selle maksimaalne kiirus on Warp 9.6, mis on 1,909 korda kiirem kui valguse kiirus.
Picardi Enterprise jõuaks Proxima Centaurini vaid 19 tunni ja 28 minutiga ning musta auku V616 Monocerotis jõudmine võtaks umbes ühe aasta ja üheksa kuud. Meie galaktika keskmesse jõudmine võtaks 13 aastat ja seitse kuud ning Andromeedasse reisimine võtaks 1,328 aastat.
30 päeva jooksul saaks see laev katta 156 valgusaastat. Maast 156 valgusaasta raadiuses on umbes 40,000 kuni 60,000 tähte.
Kapitani Kathryn Janewayi tähtelaev Star Trek: Voyager
Kapitani Kathryn Janewayi tähtelaev Star Trek: Voyager on nimega USS Voyager (NCC-74656). See on Intrepid-klassi laev, mis on tuntud oma missiooni poolest Delta Kvadrantis. Selle maksimaalne kiirus on Warp 9.975, mis on 5,126 korda kiirem kui valguse kiirus. Voyager jõuaks Proxima Centaurini vaid 7 tunni jooksul. Musta auku V616 jõudmine võtaks seitse kuud ja meie galaktika keskmesse jõudmine viis aastat. Andromeedasse jõudmine jääb endiselt kätte saamata ning selle tähtelaeva jaoks võtaks sinna jõudmine 495 aastat.
Maksimaalsel kiirusel saaks see tähtelaev 30 päeva jooksul katta 421 valgusaastat. Maast 421 valgusaasta raadiuses on umbes 1,25 miljonit tähte.
Kosmose Reisimise Tulevik
Kosmoste avarus on piirav tegur kosmose reisimisel. Kosmoselaevad, mida me praegu ehitame, suudavad jõuda kaugetesse osadesse päikesesüsteemist ja sellistesse objektidesse nagu Pluto 10 või enama aastaga. Tähevaheline reisimine on praegu teostatav, kuna meie kiireim kosmoselaev vajaks lähima täheni jõudmiseks ja tagasi tulemiseks 150 000 aastat. Praegu oleme piiratud reisima oma päikesesüsteemis. Tähevaheliseks reisimiseks peaks meie tehnoloogia saavutama vähemalt 20% valguse kiirusest, et sond saaks jõuda lähima täheni umbes 20 aastaga. Sellise kosmoselaeva ehitamise plaanid, mis kiirusel kiirusel kasutaks maapinnalt võimsaid lasereid, eksisteerivad, kuid me peaksime ootama veel neli aastat andmete kogumiseks, mida selline sond koguks.
Looduslikud galaktikad: Linnutee ja naaber Andromeeda galaktika. Autor: NASA Goddard
Kõige lähemate tähtede edukaks uurimiseks vajaksime kiirus, mis on valguse kiirusest lähedane. See teeks umbes 50 tähte, mis asuvad 15 valgusaasta kaugusel Maast, teaduslikuks uurimiseks kergesti ligipääsetavaks, kuigi sellised reisid oleksid väga pikad ja andmete saamine sondidelt võtaks mitu aastakümmet. Kosmos on nii avar, et isegi valguse kiirusel liikuvad kosmoselaevad võimaldaksid meil uurida vaid lähimaid tähti.
Kui valguse kiirus on saavutatav ja kiiremad kui valguse reisid ei ole teostatavad, on tõenäosus kunagi kokku puutuda arenenud välismaise tsivilisatsiooniga äärmiselt madal. Universum võib olla elu täis, kuid tohutud vahemaad kosmoses muudavad tsivilisatsioonide vahelise kontakti peaaegu võimatuks, vähemalt meie universumi osas. Erandiks võiks olla tähed täheklastrites, nagu globulaarsed klastrid, kus tähed võivad olla nii lähedal kui 0,1 valgusaasta. Siiski on isegi selline väike kaugus meie tsivilisatsiooni jaoks uskumatult suur. Voyager 1 vajaks umbes 1 769 aastat, et jõuda tähte, mis asub 0,1 valgusaasta kaugusel.
Kas Kiiremad Kui Valguse Reisid On Võimalikud?
Teoreetiliselt on kiiremad kui valguse reisid põnevad, kuid vastavalt praegustele teaduslikele seadustele, eriti Einsteini suhtelisuse teooriale, on massiga objektide liikumine kiiremini kui valgus võimatu. Siiski on mitmed teoreetilised ideed, mis viitavad võimalusele "mööda minna" sellest piirangust:
Alcubierre Mootor
See kontseptsioon, mille esitas füüsik Miguel Alcubierre 1994. aastal, põhineb kosmoselaeva ümber "mulli" loomisel, mille sees jääb aeg-ruum puutumatuks. Mull kokku tõmbaks ruumi laeva ees ja laiendaks seda taga, võimaldades tõhusalt kiiremat kui valguse reisimist. Kosmoselaev ei liiguks tegelikult ruumis kiiremini kui valgus, vaid ruum selle ümber oleks moonutatud. Probleem on selles, et see nõuaks eksootilise aine kasutamist negatiivse energia tasemega, mida pole veel tõestatud ega avastatud.
Wormhole'id
Wormhole'id on hüpoteetilised tunnelid läbi aeg-ruumi, mis võiksid ühendada kaugeid punkte universumis. Reisimine läbi wormhole'i võiks võimaldada tõhusat "lühikest teed" läbi ruumi, mis tähendab, et reisija ei peaks läbima kogu vahemaa kahe punkti vahel.
Kuigi wormhole'id on matemaatiliselt võimalikud üldises suhtelisuses, ei ole tõendeid selle kohta, et nad eksisteerivad või püsiksid piisavalt stabiilsed praktiliseks kasutamiseks. Lisaks võiks nende hooldamine nõuda eksootilist ainet.
Tšakioonid
Teooria kohaselt on tšakioonid hüpoteetilised osakesed, mis liiguvad alati kiiremini kui valgus. Siiski ei ole nende olemasolu tõestatud. Kui tšakioonid tõepoolest eksisteeriksid, rikuksid nad mõned füüsika põhiseadused, nagu põhjuslikkus, mis võiks viia paradokside tekkimiseni, näiteks ajas tagasi reisimine.
Warp Drive
Star Trekis kasutab warp drive kontseptsiooni, mis sarnaneb Alcubierre Drive'ile, kus kosmoselaev ei liigu valgusest kiiremini traditsioonilises mõttes, vaid pigem deformeerib aeg-ruumi enda ümber. Kuigi see on fiktivne, on see idee inspireerinud reaalse maailma füüsikuid uurima võimalusi aeg-ruumi deformeerimiseks.
Kvasi-kristallilised ruumid või kõrgemad dimensioonid
Mõnedes teooriates, nagu stringiteooria, on universumil rohkem dimensioone, kui me suudame tajuda. Reisimine kõrgemates dimensioonides võiks võimaldada "lühikeste teede" loomist kolmemõõtmelises ruumis. See idee on endiselt väga spekulatiivne, kuid teoreetiliselt intrigeeriv.
Kuigi need ideed on huvitavad, on enamik neist endiselt teooria ja ulme valdkonnas. Praegu ei ole meil tehnoloogiat ega materjale, mis on vajalikud valgusest kiirema reisi teostamiseks, kuid pidev uurimistöö eksootilise aine, aeg-ruumi ja kvantfüüsika alal pakub jätkuvalt uusi võimalusi tulevikuks.